CN101084570A - 一种在石英灯加热器的表面涂镀透射近红外线多层薄膜的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在石英灯加热器的表面上涂镀透射近红外线多层薄膜的装置与方法，该装置包括用于在石英灯加热器(110)上真空涂镀薄膜的真空腔(100)，用于分别使真空腔处于高真空状态和低真空状态的高真空泵(180)和低真空泵(190)，真空阀(181，182，185和191)，旋转和绕转支架(120)，用于旋转和绕转灯加热器使灯加热器被镀上放射状对称的镀层材料(140)，电子枪(130)，用于监测涂镀薄膜厚度的薄膜厚度监测仪(170)，用于控制电子枪操作的薄膜涂镀控制器(200)，以及控制上述镀层单元操作的主控制器(300)。

Description

一种在石英灯加热器的表面涂镀透射近红外线多层薄膜的装置与方法

技术领域

本发明涉及一种在石英灯加热器的表面上涂镀透射近红外线多层薄膜的装置，尤其涉及一种用放置在镀层装置真空腔里的电子枪和离子枪在透明石英灯加热器的表面上涂镀近红外线透射多层薄膜滤光器的装置和方法，按照本技术在透明石英灯加热器表面上形成能够透射近红外线的多层薄膜。

背景技术

一般来说，光是一种典型的电磁波，根据波长被分为400-800nm的能被人眼所看见和感知的可见光，比可见光波长更短的紫外线，比可见光波长更长的红外线，比紫外线波长更短的x射线和γ射线，以及比红外线波长更长的微波和无线电波，如图1所示。

波长越短，光能量越大。因此，短波长的光诸如紫外线，具有高能量，有着能够使染料褪色，显示出高的杀菌功率，或者被物体吸收时引起化学反应等多种作用，因此被称作“化学射线”。自然地，比紫外线波长更短的光如x射线和γ射线具有更大的能量。同时，红外线比可见光波长更长，而具有低能量，当被物体吸收时，不是引起化学反应，而是被转变成热，因此被称为“热射线”。

所有的物体都辐射电磁波，与周围的环境交换能量。在热平衡状态下发出的辐射被称作“热辐射”。

太阳表层温度是大约6000K，它的辐射分布曲线如图2所示，其中最大分布辐射波长λmax是450nm。一个热的白炽灯灯丝温度是大约3000K或者更低，这个温度随着外加电压的变化而变化。因此，其最大波长λmax比太阳光波长更长，所以红外线主要辐射热射线。

在白炽灯的辐射分布曲线图中(图2)，可见光和热射线如红外线一起发射。这是因为，在加热灯去加热物体时，所用电能不完全转换为热能，其中部分以可见光的形式损耗了。更进一步地，因为可见光比红外线具有更短的波长，而有更大的能量，它能引起物体的化学变化，从而可能损坏物体。

近年来，一种类似太阳辐射的红外线的近红外线，有着0.8-1.4μm的短波长，能转换为仅对物体辐射而不对空气加热的形式，日渐成为人们的兴趣点。这样，使用近红外线的各种方法都被尝试。

尤其是，近红外线被灯的加热元件如灯丝产生之后，通过作为透明灯的石英管被透射和辐射出来，在用作加热目的时有许多优点，比如高的加热效率，对人体的无害性，无污染，低闪烁和极好地瞬间加热性能。因此，近红外线被广泛使用在家庭、办公、农业，家畜和工业、干燥器以及农业加热器、水产业、以及工业和医疗设备中。

因此，在近红外线高效透射方面的彻底性研究正在进行中。例如，以从加热元件如加热灯中仅发射近红外射线为目的，一种用于涂镀灯如透明石英管的表面来选者性透射光的技术已经被提出。

也即，交替性地喷镀不同折射率和高温熔点的材料在灯的表面上，形成多层薄膜。这样，在加热元件产生的光中，仅有需要的光波被透射，其它的不需要的光波被折射回去。从图3中可以很容易理解仅透射近红外线的近红外线透射滤光器的原理。

在这个方面，美国专利NO.4663557公开了一种光学涂层技术，可以有选择性的透射指定波长的光而反射其他波长的光，尤其是，使用一个真空喷镀方法将SiO₂和Ta₂O₅或者TiO₂交替喷镀在透明灯的表面上，形成一个多层薄膜，从而提供一个能在高温下最大化透射可见光，而最大化反射红外线和其他电磁波的光学滤波器。

尽管上述发明可用在高温下(热源大约是500℃)已被公开，但事实上，它不适合用于形成近红外透射石英管。另外，上述多层薄膜由于低封装密度和低附着力，在高温下长期使用容易被损坏。这样，由于它的差耐久性，不可能使用上述薄膜作为表面温度大约为900℃的加热灯的近红外透射滤光器。

也就是说，用于近红外透射多层滤光器和真空涂镀技术的光学薄膜设计应该具体考虑涂镀材料的热性能和真空涂镀的需要。尤其，鉴于薄膜和石英灯的热特性在高温下会改变，应该解决多层薄膜的易毁坏性和由于低粘附力甚至在轻微碰撞下都易从灯脱落下来的问题。

发明内容

因此本发明考虑了现有技术中发生的上述问题。本发明的一个目的是提供一种在透明石英灯加热器的表面上涂镀近红外线透射多层薄膜的装置与方法，适用于在灯加热器上仅透射近红外线的多层薄膜滤光器的涂镀。

本发明的另一个目的是提供一种在石英灯加热器的表面上涂镀近红外线透射多层薄膜的装置与方法，适用于具有高耐久性和高粘附力以至在灯加热器表面温度约为900℃都不会被损坏的高热阻抗多层滤光器的涂镀。

通过提供一种在透明石英灯加热器的表面上涂镀近红外线透射和可见光屏蔽的多层薄膜的装置达到上述目的，其中包括真空腔，在安装在该真空腔里面的石英灯加热器表面上执行真空涂镀近红外线透射多层薄膜；高真空泵，通过位于真空腔一边的空气排气管造成真空腔的高真空状态；低真空泵，通过位于真空腔另一边的空气排气管造成真空腔的低真空状态；真空阀，连接真空腔和高真空泵、真空腔和低真空泵、以及高真空泵和低真空泵，以控制在它们之间的空气流动；旋转和绕转支架，其中该支架和安装在其上面的灯加热器被放置在真空泵里，形成以各种径向为对称的形状，如圆柱形或者球形，通过旋转和绕转该灯加热器使涂镀材料以相同的折射率和厚度涂镀在灯加热器的全部表面上，形成一个近红外线透射多层薄膜；一个电子枪，被放置在真空腔里用于熔化涂镀材料使其被蒸发并涂镀在灯加热器的表面上；一个离子枪，被放置在真空腔里，以辐射电子束到被涂镀在灯加热器表面上的薄膜上，冲击该薄膜，从而增加该薄膜的封装密度；一个薄膜厚度监测仪，被放置在真空腔里，监测涂镀在灯加热器表面的薄膜厚度；一个薄膜涂镀控制器，控制涂镀的需求，包括电子枪的电源和装载涂镀材料在电子枪的容器中，以根据先前输入的涂镀相关数据涂镀近红外透射多层薄膜，同时监测从薄膜监测仪提供的薄膜涂镀状态；以及一个主控制器，根据预先输入的信息和一套程序，按照顺序操作涂镀元件，包括真空泵，真空阀，以及旋转和绕转支架，电子枪，离子枪，薄膜涂镀控制器，或停止它们的操作，以自动控制近红外线透射多层薄膜的涂镀能。

尤其地，真空腔是垂直的圆柱形形状，旋转和绕转支架以拱形安装在垂直的圆柱形真空腔的上端部分，以使能旋转和绕转灯加热器，该灯加热器安装在拱形的旋转和绕转支架上，当多层薄膜涂镀在其表面上时能够通过支架的作用去旋转和绕转，以及电子和离子枪被放置在真空腔的下端部分。

可选的是，真空腔是水平圆柱形状，旋转和绕转支架安装在水平的圆柱真空腔上能旋转和绕转灯加热器，灯加热器安装在旋转和绕转支架上，当多层薄膜涂镀在其表面上时能够通过支架的作用去旋转和绕转，以及电子和离子枪被放置在真空腔的下端中心部分。

另外，薄膜涂镀控制器相关的涂镀数据包括涂镀材料的封装密度，涂镀材料的熔化功率，裂化功率，增加时间，裂化时间，容器，涂镀材料的涂镀顺序，涂镀效率，以及涂镀厚度。灯加热器的涂镀材料包括作为基础材料的SiO₂，以及选自Fe₂O₃、TiO₂、AL₂O₃、ZrO₂、CeO₂、Ta₂O₅及其组合物中的任何一种，交替涂镀它们。

更进一步地，本发明提供一种在石英灯加热器表面上涂镀透射近红外线和阻挡可见光的多层薄膜方法，其中包括装载一个旋转和绕转支架及一个安装在旋转和绕转支架上的石英灯加热器到真空腔里，和装载涂镀材料到真空电子枪的容器里，使真空腔从低真空状态自动变为高真空状态；自动开启电子枪的电源和当真空腔达到高真空状态时向真空腔自动送入含有氧气或者氩气的活性气体；控制旋转和绕转支架以预定的速度去旋转和绕转灯加热器；根据薄膜涂镀控制器输入的涂镀程序涂镀近红外透射多层薄膜在灯加热器的表面上，同时旋转和绕转灯加热器，其中薄膜控制器用作控制电子枪的操作以使自动涂镀近红外透射多层薄膜同时并实时监测从薄膜厚度监测仪提供的涂镀信息；以及使真空腔有大气压力，且根据输入的涂镀程序涂镀多层薄膜之后，从真空腔移出镀有近红外透射多层薄膜的灯加热器。

根据涂镀程序执行涂镀，该涂镀程序包括涂镀材料的密封密度，涂镀材料的熔化功率，裂化功率，增加时间，裂化时间，容器，涂镀材料的涂镀顺序，涂镀效率，以及涂镀厚度。

另外涂镀方法更进一步地包括，在薄膜被涂镀到灯加热器表面之前，辐射离子束在灯加热器表面，清洁灯加热器的表面，，因此增加了薄膜的粘附力。并且，涂镀方法更进一步地包括当薄膜被涂镀在灯加热器表面上时用电子枪辐射离子束在薄膜上，由此增加薄膜的密封密度和灯加热器与薄膜之间的粘附力。

附图说明

从下面结合附图的详细描述中将能更清楚地理解本发明的上述和其它的目的、特征和其它的优点。其中：

图1是基于波长分类的一般电磁波的视图；

图2是随太阳光和白炽灯辐射波长变化的一般分布曲线图；

图3是用普通近红外透射滤光器的近红外透射灯加热器的光谱分布图；

图4a和4b是根据本发明涂镀近红外线透射多层薄膜的装置的示意图；

图5是在本发明中使用的离子枪的视图；

图6是本发明中使用的石英灯加热器的视图；

图7a和7b是根据本发明涂镀近红外透射多层薄膜滤光器的过程的流程图；

图8a和8b是分别根据本发明在真空中和空气中使用涂镀装置的电子枪得到的薄膜频谱和使用涂镀装置的电子枪和离子枪得到的薄膜频谱的视图；以及

图9是根据本发明采用SiO₂和Fe₂O₃作为涂镀材料能够阻挡可见光的多层薄膜滤光器的近红外透射频谱曲线图。

具体实施方式

下文中，参考相应附图详细描述本发明。

图4a和4b是根据本发明在石英灯加热器表面上涂镀近红外透射多层薄膜的装置图，图5所示的是在本发明中使用的离子枪。本发明的涂镀装置包括真空腔100，石英灯加热器110，旋转和绕转支架120，电子枪130，离子枪150，薄膜厚度监测仪170，高真空泵180，低真空泵190，真空阀181、182、185以及191，气体送入控制阀131和149，薄膜涂镀控制器200，以及主控制器300。

真空腔100是一个密封的空间，采用透射近红外线的薄膜滤光器涂镀放置在里面的石英灯加热器110的表面。灯加热器110是多个石英管，分别与一个旋转和绕转支架120的预定部分相连接，以使当旋转和绕转时能够用近红外透射多层薄膜滤光器涂镀。电子枪130放置在真空腔里，以使涂镀材料140在灯加热器110的表面熔化和变成蒸汽。离子枪150被安置在真空腔100里，用于向涂镀在石英灯加热器110表面上的薄膜放射离子束，轰击薄膜，因此增加了薄膜的密封密度和在灯加热器和薄膜之间的粘附力。薄膜厚度监测仪170放置在真空腔100里，用来监测涂镀在石英灯加热器110表面上的薄膜状态。更进一步，高真空泵180和低真空泵190用于通过位于真空腔100预定侧的空气排气管使真空腔100分别处在高真空状态和低真空状态，薄膜涂镀控制器200作用是控制电子枪130的操作，以根据输入到薄膜涂镀控制器200上的涂镀程序来涂镀薄膜，并同时监测薄膜厚度监测仪170提供的薄膜涂镀信息。主控制器300用于根据预先的输入信息和成套程序，控制旋转和绕转支架120、电子枪130、离子枪150、加热单元160、高真空泵180、低真空泵190、气体送入控制阀131和149、以及真空阀181、182、185和191的操作，以使近红外透射多层薄膜涂镀石英灯加热器110的表面。

附图标记120指是旋转和绕转支架，该支架和设置在该支架上的灯加热器一起放置在真空腔里，能以各种径向对称的形状形成，如圆柱形和球形，以旋转和绕转石英灯加热器110，使多层薄膜能以指定厚度和折射率形成在石英灯加热器110的全部表面上。另外，附图标记160是加热单元，如护套式加热器或卤素灯加热器。至少一个加热单元160放置在真空腔100的指定部分，根据主控制器300的控制运行，在室温到400℃范围内加热石英灯加热器110的表面，在涂镀的基础上，加热单元160通过加热涂镀了镀层材料的石英灯加热器的表面来增加涂镀效率。此外，附图标记181、185和191指示真空阀，按照主控制器300的控制，用于控制在高真空泵180和真空腔100之间、高真空泵180和低真空泵190之间、在低真空泵190和真空腔100之间的空气排放。

而且，如图6所示，石英灯加热器110包括供电时能产生热的钨丝线圈111；把钨丝线圈111与外界真空密封起来的石英管115，并包含N、He等混合气体，能够防止钨丝线圈111的氧化；以及一个电极117形成在石英电子管115的两个外端并与钨丝线圈111相连。灯加热器110的多元电极117固定在真空腔100里的旋转和绕转支架120的旋转轴上，因此灯加热器110根据旋转和绕转支架120的旋转在该灯加热器里面的多元电极117上以指定速度绕其轴旋转和绕转。

电子枪130和离子枪150以指定的间距放置在石英灯加热器110的下面，各自旋转和绕转。

多层薄膜被涂镀在石英灯加热器110的表面上，形成仅透射近红外线的近红外透射多层薄膜滤光器。在石英灯加热器110上的涂镀材料140，选自SiO₂、Fe₂O₃、TiO₂、AL₂O₃、ZrO₂、CeO₂、Ta₂O₅，SiO₂用作基本材料，至少一种材料选自上述其他材料。考虑到薄膜的性能和材料价格，最优选的是，上述涂镀材料140的SiO₂和Fe₂O₃交替被涂镀。

离子枪150用于在石英灯加热器110的表面上均匀的辐射大范围的离子束。

也就是说，离子枪150是一个辅助的涂镀方式，制造离子束去碰撞用电子枪130涂镀在灯加热器110表面上的薄膜。采用适当能量和电流密度的离子束，轰击该薄膜，打破其排列。因此，薄膜的封装密度增加，造成薄膜能够抵挡极端的外部环境条件。

离子枪150能独立控制离子束的能量和电流，容易移动，并且能改变离子束的辐射方向和离子束的辐射面积的位置和大小。离子枪150根据产生离子的放电方式分为无栅极的端部霍尔离子枪150和作为热阴极离子枪的有栅极的考夫曼离子枪150，本发明，如图5所示，采用端部霍尔离子枪150。

端部霍尔无栅极离子枪150用于控制离子束电流密度，以及由于缺少使离子束平行的两个栅极而剧烈地增加离子束的电流。更进一步，由上述离子枪150制造的离子束被大范围的辐射。离子束能量低到约50-300eV的程度，并且它的线宽非常宽。

离子枪150的结构和操作如图5所示，气体是通过一个位于阳极152下面的气体分配器153均匀的送入放电室，其中，一个磁铁156位于该气体分配器153下面。

从阴极154发射的电子(e-)迁移到高电势的阳极152，并碰撞中性气体使该气体离子化，由于在阳级152周围有高的气体密度，等离子体在阳极152附近密度很高。电子螺旋式迁移集中到磁场区域线处，沿着磁场区域线下降。这样，与磁场区域平行的分量比与磁场区域垂直的分量有着更高的传导性。

由于在磁场区域垂直方向的传导性低，在上述方向产生势差。同样，磁场区域线几乎形成一个等电势线。也就是说，在离子枪150轴的磁场区域线接近负极电位，而在远离轴线的磁场区域线接近正极电位。因此，在离子枪的中心轴线和其中心轴的径向方向之间产生电势差。

并且由于在离子枪纵向方向的非均匀磁场引起等离子体的电势不同使离子朝轴方向加速移动。在同一个图中，由于在阳极152附近的磁感应Ba比在阴极154附近的磁感应Bc更大，电荷被迫从高磁场区域到低磁场区域移动。

在这两个区域的在等离子电势(ΔV)差由方程1表示，如下：

方程1

ΔV＝KB((Te/e)ln(Ba/Bc))

其中Te是电子温度。阳极152附近的等离子电势比阴极154附近的要更高，因此离子束朝阴极(154)方向加速移动。

加速阳离子的电场包括一个轴向分量，是由于阳极152和阴极154之间的电压以及在磁场区域线之间径向分量的电压产生。由于电场的轴向分量比其径向分量更大，大部分离子从阳极152到阴极154加速移动。

在阳极152附近的离子由于在半径上的电势差向低电势的中心轴加速移动。当离子远离轴半径方向移动时，它们的电势再次增加，从而回到中心轴。尽管离子束的加速移动是由电场的轴向分量和径向分量引起的，但由于电场的轴向分量比其径向分量更大，离子束被大范围的辐射时会朝向石英灯加热器方向移动。在空间不同位置的不同电势之间产生离子，在相应的位置上产生离子和加速移动。因此，离子束能量与大约60％的阳极电压一致，它的线宽非常宽。

端部霍尔离子枪150有220eV或者更低的离子束能量，一个大能量线宽，以及一个高离子束电流。更进一步的，由于离子束的发射是很大的，离子束能在宽范围内辐射。

离子枪150的结构和操作相对简单，由于不需要光学栅极装置，相比考夫曼离子枪150，端部霍尔型离子枪150有着更低的离子能量并且辐射范围更广，因此，它不会损坏在离子束辅助涂镀下的薄膜。更进一步，上述离子枪150能在涂镀之前使用离子束清洁石英灯加热器110。

在离子束辅助涂镀中，在离子束和薄膜表面的原子之间的相互作用可以通过热峰、级联碰撞、分子动力等理论理解。

热峰理论说明的是离子束的热处理，其中薄膜的原子由于离子束的能量部分地被热处理，使其从晶格内位置移位。当高能量的离子穿过薄膜表面时，他们和表面原子撞击，然后损失能量。在这种情况下，离子能量转变为原子的振动能，因此温度增加，这就是所称的“热峰”。在热峰模型中，温度通过热传导的方式向空间扩散，用于热处理的薄膜原子使其移位。尽管热峰理论说明由于离子束的作用使薄膜晶格空位降低，但它不解释封装薄膜的原因。

级联碰撞理论提供成百eV的离子能量通过和薄膜表层原子的撞击注入到薄膜里，到达一些原子层。注入的离子连续不断同表层附近的原子撞击，以扩散原子，产生声子，或者形成晶格空位。

在薄膜表面原子和离子的非弹性碰撞下，离子的能量和动量转移到表面原子上，由此表面原子会从薄膜的表面反弹，或者扩散和注入薄膜。

扩散的原子更进一步同直接位于它们之下的原子碰撞，原子的级联碰撞使原子延伸到薄膜晶格空位的附近。因此，这些在晶格空位附近的原子被推去占用这些晶格空位。当离子能量足够高时，表面下的原子层比表面更密集，这样，在表层余留的没有被占用的晶格空位造成降低的表面封装密度。同样的，上述晶格空位被移动到底层部分其它原子占用，因此会增加表面封装密度。当这样的过程被重复，薄膜渐渐形成密集的薄膜。上述过程被称作“级联碰撞理论”。

为了涂镀密集的薄膜，散射在薄膜中的原子数目受原子离子束的作用，应该比从薄膜中弹回的原子数更多。当每个离子从薄膜弹回的原子数目被定义为溅射域Sy，1/γ比Sy更大，因此1/γ＝Sa/Si》Sy。并且，被每个离子级联碰撞的移位原子数被定义为X，1/γ应该比Sy更大，X比应该比1/γ更大，因此原子是均匀的混合涂镀在密集的薄膜上，而没有晶格空位。

级联碰撞理论是一个近似的理论，不考虑由离子束造成的原子扩散过程。更进一步地，这个理论表明离子束的动量被转移到薄膜原子上，使其能够连续不断的向前散开，并去占用薄膜的晶格空位，然后增加薄膜的封装密度。

在作为一种改善了的级联碰撞理论，在分子动力学中，利用牛顿方程，通过原子和原子之间、离子和表面原子之间的相互作用而产生的原子运动随着时间顺序进行。象这样，就利用了离子束的各种功能。

当离子束和晶格空位周围的表面原子在薄膜表面碰撞时，表面原子从薄膜的表面移走，由此晶格空位被空出来，然后被其它移动的原子占用。另外，由于离子能量和动量的转移，薄膜的表面原子在薄膜里散射，以及原子在碰撞之后从它们的点阵位移位，这样，薄膜的柱向结构被打破，晶格空位被占用。因此增加了薄膜的封装密度。

也就是说，离子碰撞造成加大了了薄膜表面原子的运动，因而引起了表面消散和局部的温度增加，以及薄膜晶格空位片断的降低，由此薄膜的封装密度增加，而完成再结晶。

图7a和7b是在石英灯加热器表面上涂镀近红外透射多层薄膜滤光器过程的流程图，采用的涂镀装置如图4a和4b所示。

首先，使用者通过一个涂镀实验用涂镀装置设计一个近红外透射多层薄膜，来预先决定涂镀材料140的光学常数，在此之后把设计信息输入到薄膜涂镀控制器200(S1)，然后，将石英灯加热器110安装在旋转和绕转支架120上，并与旋转和绕转支架120一起放入到真空腔100中。然后，将涂镀材料(Fe₂O₃、SiO₂)装入到坩埚中，将该坩埚然后放入电子枪130的相称容器中，以及密封真空腔100(S2)。

接着涂镀程序初始化，根据输入到主控制器300中的程序，真空阀181、182、185以及191顺序工作转换真空腔100的低真空状态到高真空状态，并且，运行加热元件160加热石英灯加热器110的表面到约400℃(S3)，

为了节约工作时间，当工作开始时，在石英灯加热器110放入到真空腔100之前，启动高真空泵180和低真空泵190。此后，当连续不断的操作高真空泵180和低真空泵190时，仅有真空阀181、182、185以及191被开启和关闭，以在真空腔100中制造出真空状态。

当真空腔100达到输入到主控器300(S4)的高真空状态时，一个在电子枪130的周围的活性气体(O₂或Ar)的送入控制阀131和一个离子枪150的离子气体(Ar)的送入控制阀149通过主控制器300的作用被打开，这样，活性气体连续不断的被送入直到达到设定值，根据主控制器300(S5)的自动程序打开电子枪130的电源。然后，当石英灯加热器110由于旋转和绕转支架120的作用开始旋转和绕转时，离子枪150制造的离子束均匀地辐射到旋转和绕转的石英灯加热器110的表面上，清洁石英灯加热器110的表面。因此，在石英灯加热器110的表面和薄膜之间的粘附力增加了(S6)。

随后，为了近红外透射多层薄膜能均匀地涂镀到旋转和绕转的石英灯加热器110的表面，根据输入到薄膜涂镀控制器200的涂镀程序，通过薄膜涂镀控制器200控制电子枪130的操作。并且，当近红外透射多层薄膜被涂镀到石英灯加热器110的表面上时，受到离子枪150制造的离子束的辐射，因此，轰击增加了它的封装密度。

在涂镀薄膜到石英灯加热器110的表面上时，运行薄膜涂镀控制器200控制电子枪130的电源，装载涂镀材料进入到安装在电子枪130上的容器中，以及根据它的涂镀程序控制关闭电子枪130同时实时监测从薄膜厚度监测170提供的信息。同样地，涂镀程序包括涂镀材料的封装密度，涂镀材料的熔化功率，裂化功率，增加时间，裂化时间，容器，涂镀材料的涂镀顺序，涂镀效率以及涂镀厚度。在这种方式中，近红外透射多层薄膜优选地被涂镀在石英灯加热器110(S8)的表面上之后，关闭电子枪130和离子枪150的电源，以及关闭真空阀181和打开一个排气阀182。因此，真空腔100的高真空状态被转换为大气压力，以及涂镀了近红外透射多层薄膜的石英灯加热器110随旋转和绕转支架120一起从真空腔100移出。因此，涂镀程序被终止。

为了再次初始化涂镀程序，程序从S1和S2处开始，并且根据S2之后的设置程序自动进行。

可选地，可以提供仅包括一个电子枪130而不用离子枪150的一个简单的电子枪的多层薄膜涂镀装置。

自然地，采用包括电子枪130和离子枪150的涂镀装置获得薄膜辐射表明有着极好的物理性能。

图8a表示从真空和空气中仅使用电子枪130获得的薄膜频谱分析图，以及图8b表示在真空和空气中使用电子枪130作为一个主要涂镀装置方式和使用离子枪150作为辅助涂镀方式而获得的薄膜频谱分析图。

如图8b所示，在这种采用电子枪130和离子枪150在石英灯加热器110的表面上涂镀近红外透射多层薄膜的情况下，薄膜滤光器由于采用离子束的轰击有着高的封装密度。因此，在真空状态和大气压力之间的频谱转变要小于如图8a所示的仅使用电子枪130的涂镀近红外透射多层薄膜的情况。

如在真空和空气下的实验所示，使用包括电子枪130和离子枪150的涂镀装置涂镀的多层薄膜和仅使用包括电子枪130的涂镀装置涂镀的多层薄膜相比，前者通过涂镀高封装密度、极好的表面平滑度、低吸收率和高粘附力的薄膜而有更高的折射率，而形成高质量的高耐热薄膜。此外，上述薄膜有着高的粘附力，因此，即使在高温和碰撞的条件下也很难被毁坏。因此，上述薄膜显示出高持久力和高耐热性。

另外，本发明使用的涂镀材料140，可以用各种易蒸发的材料举例说明，如SiO₂、Fe₂O₃、TiO₂、AL₂O₃、ZrO₂、CeO₂、Ta₂O₅等。例如，SiO₂作为一种基础材料，选自Fe₂O₃、TiO₂、AL₂O₃、ZrO₂、CeO₂、Ta₂O₅及其组合物中的任何一种，交替涂镀，以使在石英灯加热器110的表面上形成各种涂镀材料的近红外透射多层薄膜。

这样，本发明的涂镀装置和方法的优点是快薄膜涂镀速率，各种涂镀材料140的使用，在低温和高温下薄膜涂镀可能性，以及高防水性。更进一步地，在规模化的制造系统结构中，产生了经济效益。

本发明具有高耐热性近红外透射多层薄膜的涂镀装置和方法，能够取得高耐热性的近红外透射多层薄膜滤光器，如图9所示的曲线图中，表明近红外线透射的同时阻挡了可见光。从而，通过能透射近红外线的高效率的石英灯加热器，其表面温度约是900℃，在0.8-2.0μm波长的透射度是93％或者更多，以及可见光的透射度为2％甚至更低。

图9的曲线图描述了采用SiO₂和Fe₂O₃作为涂镀材料形成的多层薄膜的频谱，如下表1所示。

表1

层数	通过波段(％)	阻止波段(％)	厚度(nm)
				12	93.25	1.44	1100
20	95	0.5	1350

除了用于可以作为加热器或者干燥器的近红外石英灯加热器，本发明的涂镀装置和方法还可应用到需要真空涂镀的制造加工领域，诸如半导体、LCD、PDP、光学工业等等。因此，能形成期望的高质量的薄膜。

工业实用性

如上文所述，本发明提供一种在石英灯加热器表面上涂镀近红外透射多层薄膜的涂镀装置和方法。与仅采用电子枪的涂镀装置形成的多层薄膜相比，通过使用包括电子枪作为主要涂镀手段和离子枪作为辅助涂镀手段的涂镀装置在石英灯加热器的表面上涂镀近红外透射薄膜，有更高的封装密度和更高的折射率。更进一步地，上述薄膜有极好地表面平滑度，低吸收率以及高粘附力。因此，能够形成高质量的高耐热性薄膜。

也就是说，石英灯加热器表面在薄膜涂镀之前，首先用离子枪制造的离子束清洁，由此增加了在石英灯加热器的表面和涂镀材料之间粘附力。此外，离子枪产生的离子束辐射薄膜造成薄膜封装密度的增加，因此，即使在高温和碰撞的条件下薄膜也很难被损坏。从而得到具有高的持久力且能经受灯表面约900℃温度的高耐热性的薄膜。

尽管为了说明的目的公开了本发明的优选的实施方案，但是本领域的技术人员能够理解在不背离附随的权利要求所公开的本发明的范围和精神的情况下可以有多种修改、增加和替换。

Claims (10)

1、一种涂镀近红外透射多层薄膜的装置，其中该薄膜能够经受石英灯加热器表面约900℃的高温，在该石英灯加热器的表面上，该多层薄膜用于允许透射近红外线而同时阻挡可见光，包括：

一个真空腔，用于在高温400℃下，在位于该真空腔中的温控石英灯加热器上执行真空涂镀近红外透射多层薄膜；

一个高真空泵，通过在真空腔一侧形成的空气排气管制造真空腔的高真空状态；

一个低真空泵，通过在真空腔另一侧形成的空气排气管制造真空腔的低真空状态；

真空阀，用于连接真空腔和高真空泵、真空腔和低真空泵、以及高真空泵和低真空泵，并控制它们之间的空气流动；

一个旋转和绕转支架，其中该支架随设置在其上面的石英灯加热器一起放置在真空腔里，能形成以各种径向对称形状，包括圆形或球形，旋转和绕转石英灯加热器以使涂镀材料涂镀在该石英灯加热器的全部表面上，以一致的折射率和厚度形成近红外透射薄膜；

一个电子枪，放置在真空腔里用于熔化涂镀材料使其蒸发和涂镀在石英灯加热器的表面上；

一个离子枪，放置在真空腔里，向涂镀在石英灯加热器的表面上的薄膜辐射离子束，以轰击该薄膜，这样增加了薄膜的封装密度；

一个薄膜厚度监测仪，放置在真空腔里，监测涂镀在石英灯加热器表面上的薄膜厚度；

一个薄膜涂镀控制器，用于控制涂镀需求，包括电子枪的电源，装载涂镀材料到电子枪的容器中，以根据预先输入的涂镀相关数据涂镀近红外透射多层薄膜，并同时监测上述薄膜厚度监测仪提供的薄膜涂镀状态；以及

一个主控制器，用于根据预先输入的信息和一套程序顺序地操作涂镀单元，包括真空泵，真空阀，旋转和绕转支架，电子枪，离子枪，以及薄膜涂镀控制，或停止其操作，以自动控制近红外透射多层薄膜的涂镀。

2、如权利要求1所述的装置，其中，所述真空腔是垂直的圆柱形，

所述的旋转和绕转支架是拱形，并放置在垂直的圆柱形的真空腔的上部，以旋转和绕转石英灯加热器，

该石英灯加热器安装在该拱形的旋转和绕转支架上，当涂镀多层薄膜在其表面时通过旋转和绕转支架的作用旋转和绕转，以及

所述电子枪和离子枪放置在真空腔的下端部分。

3、如权利要求1所述的装置，其中，所述真空腔是水平的圆柱形状，

所述旋转和绕转支架放置在水平圆柱真空腔里，以旋转和绕转石英灯加热器，

该石英灯加热器安装在该旋转和绕转支架上，当涂镀多层薄膜在其表面时通过旋转和绕转支架的作用旋转和绕转，以及

所述电子枪和离子枪放置在真空腔的下端中心部分。

4、如权利要求1所述的装置，其中，所述薄膜涂镀主控制器的相关涂镀数据包括涂镀材料的封装密度，涂镀材料的熔化功率，裂化功率，增加时间，裂化时间，容器，涂镀材料的涂镀顺序，涂镀效率，以及涂镀厚度。

5、如权利要求1所述的装置，其中，所述石英灯加热器的涂镀材料包括用作基础材料的SiO₂和选自Fe₂O₃、TiO₂、AL₂O₃、ZrO₂、CeO₂、Ta₂O₅及其组合物的任何一种，交替涂镀。

6、一种在石英灯加热器表面上涂镀用于允许透射近红外线而阻挡可见光的近红外透射多层薄膜的方法，包括：

装载旋转和绕转支架以及设置在旋转和绕转支架上的石英灯加热器到真空腔里，并装载涂镀材料到电子枪的容器中；

使真空腔从低真空状态自动变化到高真空状态，；

自动打开电子枪的电源，当真空腔达到高真空状态时自动送入包含氧气或氩气的活性气体到真空腔中；

以预先设定的速度控制旋转和绕转支架去旋转和绕转石英灯加热器；

当旋转和绕转石英灯加热器时，根据输入到薄膜涂镀控制器中的涂镀程序，在石英灯加热器表面上涂镀近红外透射多层薄膜，其中该薄膜涂镀控制器用于控制电子枪的操作以自动化涂镀近红外透射多层薄膜，并同时实时监测上述薄膜厚度监测仪提供的薄膜涂镀状态；以及

根据输入的涂镀程序涂镀近红外透射多层薄膜之后，使真空腔有大气压力并从真空腔里移走涂镀了近红外透射多层薄膜的石英灯加热器。

7、如权利要求6所述的方法，其中，根据涂镀程序执行涂镀，该涂镀程序包括有关涂镀材料的封装密度，涂镀材料的熔化功率，裂化功率，增加时间，裂化时间，容器，涂镀材料的涂镀顺序，涂镀效率，以及涂镀厚度的数据。

8、如权利要求6或7任何一项所述的方法，其中，所述薄膜涂镀控制器，根据涂镀程序控制电子枪的电源，装载涂镀材料到电子枪的容器中，以及电子枪的关闭。

9、如权利要求6所述的方法，进一步的包括辐射离子束在石英灯加热器的表面上，以在薄膜涂镀到石英灯加热器的表面之前清洁石英灯加热器的表面，由此来增加薄膜的粘附力。

10、如权利要求6所述的方法，进一步的包括当薄膜涂镀在石英灯加热器表面上时，采用离子枪辐射离子束在石英灯加热器的表面上，由此增加薄膜的封装密度。

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